Kvantové komunikačné siete

Doba globálnej komunikačnej siete sa začala nenápadne 29. októbra 1969, keď programátori Bill Duvall a Charley Kline na druhý pokus spustili z počítača na Stanforde príkaz login na počítači na Caltechu.

Bity informácie prenášané internetom kódujeme do elektromagnetických signálov. Na každý prenesený bit použijeme rádovo desiatky miliónov fotónov. A cestou ich ešte niekoľkokrát vymeníme. V dôsledku šumov v optických vláknach sa pôvodný signál postupne utlmuje. Zosilňovač alebo opakovač je zariadenie, ktoré signál opätovne obnoví. Z utlmeného signálu vytvorí jeho vylepšenú kópiu, ktorá pokračuje na svojej ceste k prijímateľovi. Výsledkom je prakticky fungujúci systém digitálnej komunikácie. My sa pozrieme na to, kde a ako v tomto systéme môžu pomôcť kvantové technológie.

Večne nebezpečne?

Ruka v ruke s potrebou komunikácie vznikla aj potreba utajovania jej obsahu. História je plná zaujímavých príbehov týkajúcich sa vytvárania a odhaľovania systémov tajnej komunikácie. Pri digitálnej komunikácii sa posielajú nuly a jednotky prístupné pre každého, kto má k spojeniu prístup. Šifrovanie spočíva v utajení spôsobu prepísania konkrétnych správ do núl a jednotiek. Prijímateľ na rozšifrovanie zašifrovanej správy potrebuje šifrovací kľúč. Jeho bezpečné vytvorenie bez možnosti uhádnutia je svätým grálom kryptografie.

Súčasná bezpečnosť je založená na koncepte nesymetrických šifier, v ktorých tzv. verejné šifrovacie kľúče slúžia na uzamknutie správ, ale neumožňujú ich odomknutie. Verejný kľúč vytvorí prijímateľ spoločne s tzv. súkromným kľúčom, ktorý sa nezverejňuje a slúži na odomknutie šifrovacieho zámku. Existencia teoreticky bezpečnej nesymetrickej šifry nie je dokázaná a nesymetrické kryptosystémy sú založené na viere, že z verejného kľúča a prijatej zašifrovanej správy nie sme schopní efektívne vypočítať súkromný kľúč.

V súčasnosti používaná RSA šifra (skratka mien R. Rivest, A. Shamir, L. Adleman, ktorí v roku 1977 tento algoritmus vytvorili, pozn. red.) je založená na tom, že všetky algoritmy na rozklad čísla na súčin prvočísel (faktorizácia), ktoré poznáme, sú výpočtovo exponenciálne náročné. Na jej prelomenie by najlepším superpočítačom nestačil ani vek vesmíru. Výpočtová zložitosť je tak garanciou bezpečnosti. Všetko dobre funguje až do momentu, keď na trh vstúpi plne funkčný kvantový počítač, alebo kým niekto nevymyslí exponenciálne rýchlejší algoritmus na faktorizáciu. V oboch prípadoch nastane istá forma kolapsu spoločenského systému nielen vo virtuálnom svete internetu. Uniknú informácie, stratia sa identity, zmiznú financie… Čo s tým?

Postkvantová bezpečnosť

Prirodzeným riešením je zmena šifrovacích systémov. Hrozba objavu nového algoritmu však bude neustále, kým niekto nevymyslí dokázateľne bezpečnú nesymetrickú šifru. Momentálne sme v stave, že máme efektívny kvantový algoritmus (Shorov algoritmus) na RSA šifrovanie, ale nemáme zariadenie (kvantový počítač), ktorý by ho implementoval. Za ostatných tridsať rokov kvantové technológie dosiahli výrazný pokrok a je rozumná šanca, že kvantový počítač dostatočnej výpočtovej sily na prelomenie RSA šifier sa môže objaviť v najbližších desaťročiach.

Autor článku: Mário Ziman
Fyzikálny ústav SAV, v. v. i., v Bratislave
Ilustrácie: Diana Cencer Garafová
QUTE.sk – Národné centrum pre kvantové technológie
Zdroje obrázkov wikipédia, archív QUTE.sk